無人機三維激光掃描技術在大紅山鐵礦的應用

郭 慶 張 瑋 李杰林 李 彧 張孝平 楊承業 李長軍

（1.玉溪大紅山礦業有限公司；2.中南大學資源與安全工程學院；3.天河道云（北京）科技有限公司）

玉溪大紅山礦業有限公司大紅山鐵礦屬緩傾斜條帶狀厚大礦床，礦體埋藏較深并呈多層產出，且礦巖堅硬、地溫高、采礦技術條件復雜、回采難度大。經過多年的開采，大紅山鐵礦井下形成了大量的大型采空區，同時還遺留了大量的殘礦資源，為推進大紅山鐵礦井下殘礦與低品位資源高效回收利用與采空區安全協同治理，亟需對井下采空區開展精準探測［1］。

為精確掌握大紅山鐵礦采空區現狀，對大紅山鐵礦Ⅱ-1 頭部區域的系列采空區開展三維激光測量作業。目前，在II-1 頭部區域已探明采空區數量多達21 個，采空區累計體積高達73 萬m3。但是，在Ⅱ-1 頭部主礦體開展的三維激光掃描測量作業中，主要采用架站式、手持式等傳統三維激光掃描方式對采空區進行測量，在一定程度上受限于空區形態與賦存位置，致使部分空區無法得到全面的掃描結果，所收集的采空區點云數據存在部分失真現象。

近年來，無人機在探測領域中的運用愈發廣泛［2-4］，通過引進無人機三維激光掃描技術，對大紅山鐵礦井下II-1 頭部的部分采空區開展三維激光掃描的補測工作，并進一步完善采空區三維激光掃描的點云數據，從而構建出精確可靠的采空區實測模型。

1 無人機三維激光掃描系統組成

本研究所使用的無人機三維激光掃描系統由無人機平臺與機載便攜式三維激光掃描儀所組成，如圖1所示。

無人機平臺采用大疆經緯M600無人機，M600無人機采用模塊化設計，裝配及使用快速便捷，且具備高效的動力系統；M600集成全新專業級A3飛行控制系統，并采用正弦驅動技術的智能電調，提供高效、可靠、精準的飛行性能以及內置飛行參數自適應功能，能夠實現不同負載下的參數免調，便捷易用；A3飛行控制系統具有優秀的外置擴展平臺，能很好地兼容外置三維激光掃描儀。

機載便攜式三維激光掃描儀采用翼目神HM100輕型三維激光掃描儀，該掃描儀所配置的激光雷達最大測距可達100 m，每秒可收集30 萬個點云數據，能夠快速獲取被掃描物體表面點云的位置、強度、環數等參數；通過機載三維激光掃描儀的高精度慣性制導系統可實時獲取無人機的飛行速度、飛行姿態以及飛行軌跡，同時結合設備自主避障功能［5］，實現井下無GPS信號條件的飛行測量。

通過無人機平臺與便攜式三維激光掃描儀的二者集成，構成無人機三維激光掃描系統，無人機與機載三維掃描儀之間可自由拆卸、安裝，以方便井下工作時設備的攜帶與運輸。

2 工程應用

2.1 無人機三維激光掃描作業研究對象

以大紅山鐵礦Ⅱ-1 礦體頭部的775-1 采空區為研究對象，開展無人機三維激光掃描技術在采空區探測的工程應用研究。775-1采空區主要賦存于Ⅱ-1 礦體頭部的775 m 中段，775-1 采空區體積高達44萬m3，空區形態復雜，且采空區部分區域已經塌陷，導致相連巷道大部分區域被落石封堵，前期采用傳統三維激光掃描方式所獲取的775-1 采空區數據如圖2所示。

受采空區形貌影響以及探測條件的限制，傳統三維激光掃描方式無法對775-1 采空區開展全面測量，導致空區西北角與空區底部區域的點云數據較為稀疏；此外，由于空區頂板部分塌陷，使得775-1采空區上部分聯通巷道被落石封堵，無法開展具體的三維激光掃描工作，使得空區頂部區域點云數據存在缺失。

上述點云數據的失真將影響后續空區實測模型構建的可靠性，因此采用無人機三維激光掃描技術對775-1采空區進行測量。無人機在775-1采空區1#探測作業點與2#探測作業點進行采空區探測作業，如圖3所示。

2.2 無人機三維激光掃描作業流程

無人機三維激光掃描作業流程如圖4所示，通過在1#探測作業點與2#探測作業點開展無人機三維激光掃描作業，將所獲取的775-1采空區點云數據導入配套的Pointstudio8.0軟件中，在軟件中開展點云的處理工作［6］，最后構建出775-1 采空區的實測點云模型與實體模型。

2.3 無人機三維激光掃描模型構建

經過無人機三維激光掃描的775-1 采空區點云數據如圖5所示。可以看出，無人機三維激光掃描技術彌補了775-1 空區西北角與空區底部不完整的點云數據，所獲取的空區點云數據量更豐富、數據表征更全面，且利用無人機靈活測量的優勢，對無法開展傳統三維激光掃描的區域進行測量，填補了采空區頂部點云數據的空缺，從而更好地展現775-1采空區的真實形貌。最后，根據無人機構建出775-1采空區的實體模型，如圖6所示。

3 結論

精確探測采空區形貌是開展采空區治理的重要前提，無人機三維激光掃描技術能很好地掃描采空區“死角”，結合其他掃描設備能全面、精確地展現采空區真實形態；采用無人機三維激光掃描技術，操作人員無需接近采空區，能高效、安全地開展采空區作業。綜上所述，無人機三維激光掃描技術在地下礦山采空區探測中具有很好的應用與推廣價值。